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有机硅聚合物因分子中具有无机硅氧键(-Si-O-Si.),以及有机基团(R)侧基的特殊结构,使其兼具了无机材料和有机高分子材料的优点,而成为解决半导体照明领域功率型LED封装问题的理想材料,本文从设计合成到结构与性能,对乙烯基及苯基改性的MQ硅树脂进行了系统深入的研究。
本文首先通过研究得到了结构可控、基团含量可调的乙烯基MQ硅树脂的制备方法,并对其合成条件、结构与性能进行了研究。在此基础上,制备了不同基团含量的乙烯基聚硅氧烷和含氢聚硅氧烷,考察了基团含量及配比对固化性能的影响,并研究了不同结构乙烯基MQ硅树脂对液体硅橡胶的补强性能。结果表明:乙烯基聚硅氧烷的乙烯基含量需控制在合适的范围内(0.45%左右)才可以得到流变性较好的聚硅氧烷,含氢聚硅氧烷的氢含量也应该在合适的范围(0.28%左右)才可以得到具有较好固化性能的液体硅橡胶。用M/Q为0.8,乙烯基含量1.5%的乙烯基MQ硅树脂得到的液体硅橡胶固化后的机械性能、光学性能等较好。乙烯基MQ硅树脂补强的液体硅橡胶固化后的电绝缘性较好,其体积电阻和体积电阻率均在1013数量级以上,表明纯化处理过程较好的降低了杂质离子残留率。
此外,为进一步提高其光学性能和热性能,尝试在乙烯基MQ硅树脂中引入苯基基团。一是水解缩合法可控制备了二苯基官能团改性的MQ硅树脂(PDMQ),通过FT-IR,1HNMR,29SiNMR,GPC等对其结构进行表征。结果表明,得到的PDMQ主要为无规链结构的共聚物。同时,研究了不同Me/Ph值、MM用量和R/Si值对其光学性能的影响,结果表明:低的MM用量、Ph%含量较高(Me/Ph较小)且R/Si在1.5附近得到的PDMQ的透光率、折光率等较好,其折光率最高为1.517。TGA分析表明PDMQ具有良好的耐热性能,对其热降解过程及机理进行分析,可知,PDMQ良好的耐热性与硅原子的特殊电子结构有关。DSC分析表明,PDMQ的玻璃化转变温度Tg在-50℃~30℃之间;且其在苯基含量较高时会有适量的链段结晶,对透光率有一定影响。苯基含量较高的PDMOⅢ和Ⅴ在~220℃有二苯基链段的结晶熔融峰,其对应的熔融热焓(△Hf)分别为△Hf,Ⅲ,PDPS=5.69J/g和△Hf,Ⅴ,PDPS=2.22J/g。
二是可控制备了苯基三官能团改性的乙烯基苯基MO硅树脂(PTMQ),通过FT-IR,1HNMR,29SiNMR,XRD和SEM对其结构及形貌进行表征,结果表明,经过水解缩聚反应制备的PTMQ共聚物分子的链结构既有梯形结构组分,也有一定比例的笼型结构组分,粉末状共聚物具有层状结构且表面有明显的弧度。TGA分析表明,其具有良好的耐热性,空气氛围5%最高热分解温度为401℃。随着MM用量的降低,分子量逐渐变大,即分子内形成的笼型逐渐变大,从而提高了PTMQ的耐热性能。此外,随着PTMQ中的T单元含量逐渐降低,无论何种气氛下,5%热分解温度均降低,即分子内由T单元形成低聚倍半硅氧烷形成的笼型或梯形结构使得PTMQ的耐热性能提高。DSC曲线分析表明,这种笼型或梯形分子结构也在一定程度上增加了分子结构的刚性,使得Tg升高。通过激光光散射检测器得到的分子量与传统的单独用示差检测器的到的分子量有一定误差,表明示其分子量需要用包括激光光散射检测器的多检测器进行测定。PTMQ与含氢苯基交联剂混合固化,可得到折光率达1.51,透光率(550nm)95%以上的硅凝胶,可基本满足光学性能要求较高的电子元器件的内部灌封保护。
最后,为提高有机硅LED封装材料与底材的粘结力,本文对环氧改性MQ硅树脂的合成进行了探索。首先,制备含氢MQ硅树脂,通过FT-IR和1HNMR对其结构进行了确认,然后通过浸渍法进行了固载铂催化剂的制备,得到活性炭、分子筛和碳纳米管为载体的铂催化剂,再以烯丙基缩水甘油醚为乙烯基环氧单体,制备环氧MQ硅树脂,对产物结构进行测试表征。结果表明:通过采用合成的以活性炭固载铂催化剂实现了对MQ硅树脂的环氧改性,但环氧接枝率有待提高。